DE19848778A1 - Differenz-Bandpaß-Sigma-Delta-Analog-Digital- Wandler - Google Patents

Differenz-Bandpaß-Sigma-Delta-Analog-Digital- Wandler

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DE19848778A1 DE1998148778 DE19848778A DE19848778A1 DE 19848778 A1 DE19848778 A1 DE 19848778A1 DE 1998148778 DE1998148778 DE 1998148778 DE 19848778 A DE19848778 A DE 19848778A DE 19848778 A1 DE19848778 A1 DE 19848778A1
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Description

Aufgrund ihres ausgezeichneten Rauschverhaltens und des ho­ hen Dynamikbereiches werden Sigma-Delta-Analog-Digital-Wand­ ler (Sigma-Delta-ADWs) verwendet, um analoge Signale, wie z. B. ZF-Signale (ZF = Zwischenfrequenz) in Kommunikationssy­ stemen, zu digitalisieren. Für ein einwandfreies Verhalten ist ein Kommunikationssystem auf eine genaue digitale Dar­ stellung des ZF-Signals durch den Sigma-Delta-ADW angewie­ sen. Ein Sigma-Delta-Wandler für Bandpaßsignale, der von Gailus u. a. in der U.S.P.N. 4,857,928 gelehrt wird, treibt eine Bandpaßschaltung, die mit einem Verstärker und einem Quantisierer gekoppelt ist, mit einem Eintakttreibersignal (single-ended drive signal). Das Eintakttreibersignal ver­ ursacht ein ungewolltes Gleichtaktsignal in der Bandpaß­ schaltung, wodurch die Betriebseigenschaften des Verstärkers und des Quantisierers beeinflußt werden. Da gegenwärtig ver­ fügbare Verstärker und Quantisierer gegenüber Gleichtaktsi­ gnalen nicht unempfindlich sind, werden Ungenauigkeiten in der digitalen Darstellung des ZF-Signals hervorgerufen, wo­ durch das Verhalten des Kommunikationssystems, bei dem dieser Typ eines Sigma-Delta-ADWs verwendet wird, beeinträchtigt wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Analog-Digital-Wandler zu schaffen, der verbes­ serte Betriebseigenschaften aufweist, die gegenüber Gleich­ taktsignalen im wesentlichen unempfindlich sind.
Diese Aufgabe wird durch einen Analog-Digital-Wandler gemäß Anspruch 1 und Anspruch 5 gelöst.
Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Differenz-Bandpaß-Sigma-Delta-Ana­ log-Digital-Wandler einen Differenztreiber, um einen Schwingkreis in dem Wandler mit einem reinen Differenztrei­ bersignal zu versorgen. Der Differenztreiber beseitigt an dem Schwingkreis und an einem Quantisierer Gleichtaktsigna­ le, wodurch der Wandler genaue digitale Darstellungen von analogen Signalen, beispielsweise von ZF-Signalen in einem Kommunikationssystem, liefern kann. Stromquellen in dem Dif­ ferenztreiber liefern durch jeden Anschluß des Anschlußpaars des Schwingkreises gleiche Leerlaufströme. Der Differenz­ treiber koppelt jede Erhöhung des Treiberstroms durch einen Anschluß mit einer entsprechenden Verringerung des Treiber­ stroms durch den anderen Anschluß. Ein Taktsignal, das an dem Quantisierer anliegt, liegt ferner an dem Differenztrei­ ber an und wird verwendet, um Rückkehr-Auf-Null-Zeitinter­ valle RZ (RZ = Return to Zero) in dem Differenztreibersignal zu erzeugen, um eine ausreichende Einschwingzeit für den Quantisierer zu ermöglichen, wodurch das Verhalten des Kom­ munikationssystems, bei dem dieser Typ eines Wandlers ver­ wendet wird, weiter verbessert wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen im Stand der Technik bekannten Sigma-Delta-Wan­ dler für Bandpaßsignale;
Fig. 2 einen Differenz-Bandpaß-Sigma-Delta-Analog-Digi­ tal-Wandler, der gemäß dem bevorzugten Ausführungs­ beispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 3 einen Differenztreiber, der in dem in Fig. 2 darge­ stellten Differenz-Bandpaß-Sigma-Delta-Analog-Digi­ tal-Wandler aufgenommen ist;
Fig. 4 einen Signalverlauf eines Treibersignals, das von dem Differenztreiber erzeugt wird; und
Fig. 5 eine Transistorimplementierung des in Fig. 3 darge­ stellten Differenztreibers.
Fig. 1 zeigt einen im Stand der Technik bekannten Bandpaß-Sig­ ma-Delta-Wandler 10, der verwendet wird, um Bandpaßsigna­ le, wie z. B. ZF-Signale in Kommunikationssystemen, zu digi­ talisieren. Der Wandler 10 liefert eine digitale Ein-Bit-Dar­ stellung Vout eines angelegten analogen Signals Vin und umfaßt ein Bandpaßfilter 2, einen Verstärker 4 und einen Quantisierer 6. Jeder Anschluß des Anschlußpaars 4a, 4b des Bandpaßfilters 2 wird abwechselnd mit einem Rückkopplungs­ strom I getrieben, der von einer Treiberschaltung 8 zuge­ führt wird. Das abwechselnde Umschalten des Rückkopplungs­ stroms I zwischen dem Anschluß 4a und dem Anschluß 4b gemäß dem Signal Vout ergibt einen Gleichtaktstrom, der gleich der Hälfte des Rückkopplungsstroms I/2 ist, und der eine Gleich­ taktspannung über den Anschlüssen erzeugt. Die Gleichtakt­ spannung liegt an den Eingangsanschlüssen des Verstärkers 4 an. Der Verstärker 4 ist, wie dargestellt, ein Differenzver­ stärker. Gegenwärtig verfügbare Verstärker sind jedoch ge­ genüber Gleichtaktsignalen nicht unempfindlich, wobei sich ferner ein Gleichtaktsignal an dem Eingang des Quantisierers 6 ergibt. Die Betriebseigenschaften des Quantisierers 6 wer­ den auch von dem Gleichtaktsignal beeinflußt. Beispielsweise kann das Gleichtaktsignal die Umschaltschwelle des Quanti­ sierers 6 verändern, wodurch eine entsprechende Änderung des Zeitablaufs der Übergänge zwischen hohen (HIGH) und niedri­ gen (LOW) Zuständen des Ausgangssignals Vout an dem Ausgang des Quantisierers bezüglich des Signalverlaufs des angeleg­ ten Taktsignals TAKT hervorgerufen wird. Die Zeitablaufände­ rung verursacht eine Störung und eine Ungenauigkeit bei der Analog-Digital-Umwandlung, wodurch das Verhalten eines Kom­ munikationssystems, bei dem dieser Typ eines Bandpaß-Sig­ ma-Delta-Analog-Digital-Wandlers 10 verwendet wird, negativ be­ einträchtigt wird.
Fig. 2 zeigt einen Differenz-Bandpaß-Sigma-Digital-Analog-Di­ gital-Wandler 20, der gemäß dem bevorzugten Ausführungs­ beispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Der Wand­ ler 20 liefert ein Ausgangssignal Vout, das eine digitale Ein-Bit-Darstellung eines angelegten analogen Signals Vin, wie z. B. eines Zwischenfrequenzsignals (ZF-Signals) in ei­ nem Kommunikationssystem, ist, das gemäß einem angelegten Taktsignal TAKT abgetastet wird. Die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises 12 oder eines Resonators in dem Wandler 20 ist mit der Mittenfrequenz des angelegten analogen Signals Vin, d. h. beispielsweise mit der Mittenfrequenz des ZF-Si­ gnals, synchronisiert. Der Wandler 20 umfaßt ferner einen linearen Transkonduktor 14, einen Quantisierer 16 und einen Differenztreiber 18. Der lineare Transkonduktor 14 versorgt den Schwingkreis 12 mit einem Differenzstrom Iin, der linear auf die Spannung des angelegten analogen Signals Vin bezogen ist. Der Differenztreiber 18 versorgt den Schwingkreis 12 gemäß dem Ausgangssignal Vout mit Differenzrückkopplungs­ strömen oder Ansteuerströmen Ifb1, Ifb2. Jede Erhöhung des Treiberstroms Ifb1 ist mit einer gleichgroßen Verringerung des Treiberstroms Ifb2 gekoppelt. Jede Verringerung des Treiberstroms Ifb1 ist mit einer gleichgroßen Erhöhung des Treiberstroms Ifb2 gekoppelt. Die Differenzrückkopplungs­ ströme Ifb1, Ifb2 weisen keine Gleichtaktsignalkomponente auf. Folglich sind an dem Schwingkreis 12 keine Gleichtakt­ signale vorhanden und werden nicht an dem Eingang in den Quantisierer 16 eingebracht, wodurch der Wandler 20 eine ge­ naue digitale Darstellung Vout des angelegten analogen Si­ gnals Vin liefern kann. Obwohl der Quantisierer 16 als Kom­ parator dargestellt ist, der eine digitale Ein-Bit-Darstel­ lung des angelegten analogen Signals Vin liefert, können an­ dere bekannte Typen von Quantisierern verwendet werden.
Fig. 3 zeigt den Differenztreiber 18, der in dem Differenz-Band­ paß-Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler 20 aufgenommen ist, der gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung aufgebaut ist. Der Differenztreiber 18 empfängt das Ausgangssignal Vout von dein Quantisierer 16, der steuert, wann sich ein Schalter S1 in einer Position 1 befindet, bzw. wann sich der Schalter S1 in einer Position 2 befindet. Der Differenztreiber 18 empfängt ferner das Takt­ signal TAKT, welches steuert, wann sich Schalter SC1-SC4 in einer Position 1 befinden, bzw. wann sich die Schalter SC1-SC4 in einer Position 2 befinden. Die Schalter SC1-SC4 wer­ den mittels des Taktsignals TAKT synchron zwischen der Posi­ tion 1 und der Position 2 umgeschaltet, d. h. alle Schalter SC1-SC4 befinden sich in der Position 1 oder alle Schalter SC1-SC4 befinden sich in der Position 2.
Ein Zeitablaufdiagramm für den Differenztreiber 18 ist in Fig. 4 dargestellt. Wenn sich das Ausgangssignal Vout in dem niedrigen (LOW) Zustand befindet und sich das Taktsignal TAKT in dem niedrigen (LOW) Zustand befindet, befinden sich die Schalter SC1-SC4 in der Position 1. Die Rückkopplungs­ ströme 11 und 12 sind gleich dem Leerlaufstrom I, der von Stromquellen IS1 bzw. IS2 zugeführt wird. Wenn sich das Taktsignal TAKT in einem hohen (HIGH) Zustand befindet, ge­ hen die Schalter SC1-SC4 (wie gezeigt) von der Position 1 in die Position 2 über, wobei sich der Strom I1 von I auf 2I erhöht, welcher der Strom ist, der von einer Stromquelle IS3 zugeführt wird. Wenn sich der Strom I1 von I auf 2I erhöht, verringert sich der Strom I2 von I auf Null. Wenn das Takt­ signal TAKT in den niedrigen (LOW) Zustand zurückkehrt, ge­ hen die Schalter SC1-SC4 von der Position 2 in die Position 1 über. Der Strom I1 verringert sich daraufhin von 2I auf I, wobei der Strom I2 von Null auf I ansteigt.
Wenn sich das Ausgangssignal Vout in dem hohen (HIGH) Zu­ stand und sich das Taktsignal TAKT in einem niedrigen (LOW) Zustand befindet, ist der Strom I1 gleich I, wobei der Strom I1 gleich Null ist, wenn sich das Ausgangssignal Vout und das Taktsignal TAKT in einem hohen (HIGH) Zustand befinden. Der Strom I2 ist gleich I, wenn sich das Taktsignal TAKT in einem niedrigen (LOW) Zustand befindet, und der Strom I2 ist gleich 2I, wenn sich das Taktsignal TAKT in einem hohen (HIGH) Zustand befindet.
Die Stromquellen IS1 und 1S2 liefern den Leerlaufstrom I durch jeden Anschluß A, B des Schwingkreises 12. Abhängig von dem Taktsignal TAKT und von dem Ausgangssignal Vout er­ höht sich der Strom durch einen der Anschlüsse A, B bezüg­ lich des Leerlaufstroms I, während der Strom durch den ande­ ren der Anschlüsse A, B bezüglich des Leerlaufstroms I ab­ fällt, derart, daß die Abnahme des Stroms durch einen An­ schluß gleich der Erhöhung des Stroms durch den anderen An­ schluß ist. Das Gesamtergebnis ist ein Differenztreibersi­ gnal I1-I2, das von dem Strom geliefert wird, der aus den Anschlüssen A, B des Schwingkreises 12 differenzmäßig ent­ nommen wird.
Ein Treibersignal I1-I2, das zu den in Fig. 2 dargestellten Strömen Ifb1 und Ifb2 äquivalent ist, wird von dem Diffe­ renztreiber 18 von Fig. 3 unter Verwendung einer Schaltungs­ anordnung erzeugt, die eine Senke für den Strom aus dem Schwingkreis 12 darstellt. Der Differenztreiber 18 stellt eine Senke für einen Leerlaufstrom I aus den Anschlüssen A, B dar und erhöht oder verringert daraufhin differenzmäßig den Strom, für den der Differenztreiber 18 über die An­ schlüsse A, B eine Senke darstellt.
Das Differenztreibersignal I1-I2 in Fig. 3 zeigt ein Rück­ kehr-Auf-Null-Zeitintervall RZ, das auftritt, wenn sich das Taktsignal TAKT in einem niedrigen Zustand befindet. Das Zeitintervall RZ ermöglicht, daß die Übergangsbedingungen in dem Quantisierer 16 zwischen dem Abtasten des angelegten Eingangssignal Vin durch den Quantisierer 16 abklingen kön­ nen. Während des Zeitintervalls RZ sind die Ströme I2 und I1 gleich dem Leerlaufstrom I.
Der Differenztreiber 18 wird ohne weiteres unter Verwendung von NPN-Transistoren implementiert, wie es in Fig. 5 darge­ stellt ist, da der Differenztreiber 18 für den Strom an dem Schwingkreis 12 lediglich eine Senke darstellt. Emitter-ge­ koppelte Paare von NPN-Transistoren liefern die Umschalt­ funktionen des Schalters S1 und der Schalter SC1-SC4. Wäh­ rend eine NPN-Transistorimplementierung des Differenztrei­ bers bei diesem Beispiel dargestellt ist, wird der Diffe­ renztreiber alternativ unter Verwendung anderer Typen von Schaltungselementen implementiert, die die Stromerzeugungs­ funktionen der Stromquellen IS1-IS3 und die Umschaltfunktio­ nen der Schalter S1 und SC1-SC4 liefern, die verwendet wer­ den, um das Differenztreibersignal mit den Rückkehr-Auf- Null-Zeitintervallen RZ zu erzeugen.

Claims (9)

1. Analog-Digital-Wandler (10), der ein digitales Signal (Vout) aus einem empfangenen analogen Signal (Vin) gemäß einem angelegten Taktsignal (TAKT) liefert, mit folgen­ den Merkmalen:
einem Transkonduktor (14) mit einem Differenzeingang, der das analoge Signal (Vin) empfängt, und mit einem Differenzausgang, der einen Differenzstrom (Vin) lie­ fert, der linear auf die Spannung des empfangenen ana­ logen Signals (Vin) bezogen ist;
einem Resonator (12), der mit dem Differenzausgang des Transkonduktors (14) gekoppelt ist, der den Differenz­ strom empfängt und ein Bandpaßsignal mit einer ersten Signalkomponente und einer zweiten Signalkomponente lie­ fert;
einem Quantisierer (16) mit einem Differenzeingang, der mit dem Resonator (12) gekoppelt ist und das Bandpaßsi­ gnal empfängt, und mit einem Ausgang, wobei der Quanti­ sierer das Bandpaßsignal gemäß dem angelegten Taktsignal (TAKT) abtastet und das digitale Signal (Vout) an dem Ausgang bereitstellt;
einem Differenztreiber (18), der mit dem Ausgang des Quantisierers (16) und mit dem Resonator (12) gekoppelt ist, und der das digitale Signal (Vout) empfängt und an dem Resonator (12) gemäß dem digitalen Signal einen Dif­ ferenzrückkopplungsstrom liefert, wobei der Differenz­ strom von dem Transkonduktor (14) die erste Signalkom­ ponente des Bandpaßsignals liefert und der Differenz­ rückkopplungsstrom die zweite Signalkomponente des Band­ paßsignals liefert, wobei das Bandpaßsignal ein reines Differenzsignal ist.
2. Analog-Digital-Wandler (10) gemäß Anspruch 1, bei dem der Differenztreiber (18) das Taktsignal (TAKT) empfängt und Rückkehr-Auf-Null-Zeitintervalle in dem Differenz­ rückkopplungsstrom erzeugt.
3. Analog-Digital-Wandler (10) gemäß Anspruch 2, bei dem der Resonator (12) einen ersten Anschluß A und einen zweiten Anschluß B aufweist, und der Differenztreiber (18) eine erste Stromquelle (IS1), die einen ersten Leerlaufstrom (1) durch den ersten Anschluß erzeugt, und eine zweite Stromquelle (IS2) umfaßt, die einen zweiten Leerlaufstrom durch den zweiten Anschluß (B) erzeugt, wobei der erste Leerlaufstrom (I) gleich dem zweiten Leerlaufstrom (I) ist.
4. Analog-Digital-Wandler (10) gemäß Anspruch 3, bei dem während des Rückkehr-Auf-Null-Zeitintervalls der Strom durch den ersten Anschluß gleich dem ersten Leerlauf­ strom ist, und der Strom durch den zweiten Anschluß gleich dem zweiten Leerlaufstrom ist.
5. Analog-Digital-Wandler (10), der aus einem angelegten analogen Signal (Vin) gemäß einem angelegten Taktsignal (TAKT) mit einem ersten Taktpegel und einem zweiten Taktpegel ein digitales Ausgangssignal (Vout) liefert, mit folgenden Merkmalen:
einem Transkonduktor (14) mit einem Differenzeingang, der das analoge Signal empfängt, und einem Differenzaus­ gang, der einen Differenzstrom liefert, der linear auf die Spannung des empfangenen analogen Signals (Vin) be­ zogen ist;
einem Resonator (12) mit einem ersten Anschluß (A) und einem zweiten Anschluß (B), die mit dem Transkonduktor (14) gekoppelt sind, und der den Differenzstrom empfängt und ein Bandpaßsignal mit einer ersten Signalkomponente und einer zweiten Signalkomponente liefert;
einem Quantisierer (16) mit einem Differenzeingang, der mit dem Resonator (12) gekoppelt ist und das Bandpaßsi­ gnal empfängt, und mit einem Ausgang, wobei der Quanti­ sierer (16) das Bandpaßsignal gemäß dem angelegten Takt­ signal (TAKT) abtastet und an dem Ausgang das digitale Ausgangssignal (Vout) mit einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand bereitstellt; und
einem Differenztreiber (18), der mit dem Ausgang des Quantisierers (16) und mit dem ersten Anschluß (A) und dem zweiten Anschluß (B) des Resonators gekoppelt ist, wobei der Differenztreiber (18) folgende Merkmale auf­ weist:
eine erste Stromquelle (IS1), die einen Leerlaufstrom (I) liefert,
eine zweite Stromquelle (IS2), die einen Strom lie­ fert, der gleich dem Leerlaufstrom (I) ist,
eine dritte Stromquelle (IS3), die einen Strom er­ zeugt, der gleich dem doppelten Leerlaufstrom (I) ist,
einen ersten Schalter (S1), der mit der dritten Stromquelle (IS3) und dem Quantisierer (16) gekoppelt ist, und der das digitale Ausgangssignal (Vout) emp­ fängt,
einen zweiten Schalter (SC2), der mit dem ersten Schalter (S1) und mit dem ersten Anschluß (A) des Re­ sonators (12) gekoppelt ist,
einen dritten Schalter (SC3), der mit dem ersten Schalter (S1) und mit dem zweiten Anschluß (B) des Resonators (12) gekoppelt ist, wobei der erste Schal­ ter (S1) den Strom aus der dritten Stromquelle (IS3) durch den ersten Anschluß (A) koppelt, wenn sich das Taktsignal (TAKT) auf dem zweiten Taktpegel befindet und sich das digitale Ausgangssignal in dem ersten Zustand befindet, und den Strom aus der dritten Stromquelle (IS3) durch den zweiten Anschluß (B) kop­ pelt, wenn sich das Taktsignal (TAKT) auf dem zweiten Taktpegel befindet und sich das digitale Ausgangssi­ gnal in dem zweiten Zustand befindet,
einen vierten Schalter (SC1), der mit der ersten Stromquelle (IS1) und mit dem ersten Anschluß (A) des Resonators (12) gekoppelt ist, wobei der vierte Schalter (SC1) den Strom aus der ersten Stromquelle (IS1) durch den ersten Anschluß (A) koppelt, wenn sich das Taktsignal (TAKT) auf dem ersten Taktpegel befindet,
einen fünften Schalter (SC4), der mit der zweiten Stromquelle (IS2) und mit dem zweiten Anschluß des Resonators (12) gekoppelt ist, wobei der fünfte Schalter (SC4) den Strom aus der zweiten Stromquelle (IS2) durch den zweiten Anschluß (B) koppelt, wenn sich das Taktsignal (TAKT) auf dem ersten Taktpegel befindet.
6. Analog-Digital-Wandler (10) gemäß Anspruch 5, bei dem der zweite Schalter (SC2), der dritte Schalter (SC3), der vierte Schalter (SC1) und der fünfte Schalter (SC4) durch das Taktsignal (TAKT) synchron umgeschaltet wer­ den.
7. Analog-Digital-Wandler (10) gemäß Anspruch 6, bei dem der Strom durch den ersten Anschluß (A) des Resonators (12) gleich dem doppelten Leerlaufstrom ist, wenn der Strom durch den zweiten Anschluß (B) des Resonators (12) gleich Null ist, und bei dem der Strom durch den ersten Anschluß (A) des Resonators (12) gleich Null ist, wenn der Strom durch den zweiten Anschluß (B) des Resonators (12) gleich dem doppelten Leerlaufstrom ist.
8. Analog-Digital-Wandler (10) gemäß Anspruch 7, bei dem der Strom durch den ersten Anschluß (A) des Resonators (12) gleich dem Leerlaufstrom ist, und bei dem der Strom durch den zweiten Anschluß (B) des Resonators (12) gleich dem Leerlaufstrom ist, wenn sich das Taktsignal (TAKT) auf dem ersten Taktpegel befindet.
9. Analog-Digital-Wandler (10) gemäß Anspruch 8, bei dem der erste Schalter (S1), der zweite Schalter (SC2), der dritte Schalter (SC3), der vierte Schalter (SC1) und der fünfte Schalter (SC4) ein Differenztransistorpaar auf­ weist.
DE1998148778 1998-02-20 1998-10-22 Differenz-Bandpaß-Sigma-Delta-Analog-Digital- Wandler Withdrawn DE19848778A1 (de)

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